QUE PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN INGENIERÍA ELÉCTRICA PRESENTA Oscar ...

208 Pages·2014·5.28 MB·Spanish

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SUBDIRECCIÓN DE POSGRADO

COORDINACIÓN DE RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE
CON CURVAS DE TIEMPO NO CONVENCIONALES EN
SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES

TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
DOCTOR EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

PRESENTA
Oscar Arreola Soria

San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México
2014
II
Agradecimiento

Con mucho cariño dedico esta Tesis
A mi esposa María del Socorro
Y a mis hijos Brenda Marlen, Oscar Manuel y Pamela Socorro.
Y también a mis hijos políticos Pedro Noé, Carmen Edith y Gabriel

Agradezco a mis padres Juan y María Concepción
Por su amor y su enseñanza que me dieron, para ser un hijo de bien,
responsable y tenaz en las metas alcanzada en mi vida y en mi familia
Agradezco a mis nietos Franco, Pedro Israel, Natalia, Isabella y Bebe. Porque
me dan ánimo, alegría y amor

Agradezco a mis hermanos y hermanas por su apoyo, su amor y su vida que me
han compartido. Los quiero a cada uno
Héctor, María Concepción, Ma. Lucinda, José Ramón, Juan, María Luisa,
María Librada, María Romana Guadalupe, Jesús Salvador y Alma Yesenia

III
Agradezco y le reconozco el apoyo incondicional al
Dr. Arturo Conde Enríquez que me brindo para
Llevar a cabo este trabajo de Tesis de Doctorado.

También les agradezco sus comentarios y sugerencias que dieron a esta tesis y
que fueron muy oportunos para mejorar y concluir este trabajo.
A los doctores:
Arturo Conde Enríquez
Luis Alonso Trujillo Guajardo
Francisco Sergio Sellschopp Sánchez
Víctor Manuel Cabrera Morelos
Gerardo Maximiliano Méndez

IV
RESUMEN
Coordinación de relevadores de sobrecorriente con curvas de tiempo no
convencionales en sistemas eléctricos industriales
Publicación No._____
Oscar Arreola Soria, Doctor en Ingeniería Eléctrica
Universidad Autónoma de Nuevo León, 2014

Profesor Asesor: Dr. Arturo Conde Enríquez

Las condiciones de operación de los sistemas eléctricos de potencia industriales
exigen el cumplimiento de coordinación con curvas de daño diversas y coordinación con
otros dispositivos como relevadores de sobrecorriente, fusibles e interruptores de bajo
voltaje, con la minimización de los tiempos de operación para reducir los esfuerzos de
equipos primarios y la reducción de las depresiones de voltaje de la red eléctrica. Se han
presentado diversos trabajos que proponen el uso de canales de comunicación entre
relevadores para mejorar el desempeño de la protección, se requiere por tanto una
computadora central de proceso para al fin. El uso de curvas conformadas por segmentos
independientes de curvas de tiempo ha sido propuesto. Otra solución es incorporar
esquemas de protección con nuevos modelos de curvas no convencionales de relevadores
de sobrecorriente que cumplan adecuadamente los requerimientos de coordinación. Una
alternativa para mejorar el desempeño de la protección es mediante alteraciones en los
modelos actuales de relevadores a fin de modificar su respuesta a corrientes de falla y
mejorar la coordinación. Esta alternativa es la presentada en este trabajo.

Este documento presenta una formulación generalizada de un relevador de
sobrecorriente de tiempo inverso que puede generar curvas de tiempo inverso no
convencionales. El modelo propuesto considera la posición del dial variable como una
función de la corriente de falla; con la interacción de dos dinámicas, la representación
V
digital del movimiento del disco de inducción (como los relevadores convencionales) y el
dial de tiempo variable resulta en curvas de tiempo inverso que pueden ser diseñadas para
cualquier problema de coordinación de protección en particular. El relevador propuesto no
requiere más datos de entrada que el relevador convencional, sólo la corriente de falla en la
ubicación del relevador es requerida. Así se obtiene una variante económica y simple de
implementar.

El modelo propuesto tiene una mayor flexibilidad para la creación de curvas de
tiempo que los modelos de relevadores convencionales debido a que permite la
incorporación de funciones independientes de la palanca de tiempo que dará como
resultado en diversas curvas de tiempo dependiendo de los criterios de aplicación definidos.
Las nuevas curvas de tiempo no convencionales son diseñadas para cada problema
específico de coordinación, resultando en la reducción de tiempo de operación, esfuerzos
mecánicos y efectos térmicos, disminuyendo la calidad de voltaje e incrementando el
tiempo de vida útil del equipo primario de la red eléctrica.

VI
Í ndice

AGRADECIMIENTOS............................................................................................................................ III
RESUMEN ............................................................................................................................................ V
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................. X
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................................ XVI
Capítulo 1 Introducción
............................................................................................ 1
1.1 Consideraciones ............................................................................................... 1
1.2 Estado del arte ................................................................................................. 2
1.3 Propuesta ........................................................................................................ 5
1.4 Estructura de la tesis ........................................................................................ 8
Capítulo 2 Desarrollo tecnológico de los reveladores de
sobrecorriente
................................................................................................................... 10
2.1 Introducción. ................................................................................................. 10
2.2 Relevador Electromecánico ................................................................................ 15
2.2.1 Modelo general de dispositivos electromecánicos .................................................. 15
2.2.2 Relevador sobrecorriente de atracción electromagnética ..................................... 22
2.2.3 Relevador sobrecorriente de disco de inducción .................................................... 27
2.3 Relevador Electrónico de Estado Sólido .......................................................... 33
2.3.1 Unidades lógicas de estado sólido. .......................................................................... 33
2.3.2 Relevador de sobrecorriente estático. ..................................................................... 35
2.4 Relevador Digital ........................................................................................... 43
2.4.1 Señales para procesamiento en el relevador. ......................................................... 43
2.4.2 Filtro pasabajas (filtro anti-aliasing) ....................................................................... 43
2.4.3 Muestreo ................................................................................................................... 45
2.4.4 Convertidor Analógico/Digital (ADC) ....................................................................... 46
2.4.5 Filtro digital ............................................................................................................... 47
2.4.6 Memoria .................................................................................................................... 49
2.4.7 Modelo del relevador digital .................................................................................... 50
VII
Capítulo 3 Limitaciones de la protección de sobrecorriente
convencional en redes de distribución
..................................................... 52
3.1 Fundamentos de la operación del relevador de sobrecorriente 51. ................. 52
3.2 Coordinación en sistemas industriales. ........................................................... 55
3.3 Limitaciones de funcionamiento .................................................................... 61
3.4 Oportunidad de mejorar ................................................................................ 69
3.4.1 Protección en acometida de una planta industrial................................................. 69
3.4.2 Protección en la curva de daño de los transformadores categoría II y III. ............. 70
3.4.3 Protección en ramal transformador-cable-carga. .................................................. 80
3.4.4 Protección de motores de inducción usando diferentes características y ajustes del
relevador. .................................................................................................................................. 82
3.4.5 Coordinación entre curvas seccionadas de interruptor automático y relevador. .. 84
3.4.6 Coordinación cuando se incrementa la capacidad de carga y generación. ............ 90
3.4.7 Limitación del relevador electromecánico y mejora con relevador estático. ......... 92
3.4.8 Mejora de coordinación convencional y característica estándar. .......................... 94
Capítulo 4 Diseño de un nuevo algoritmo al relevador de
sobrecorriente
................................................................................................................... 98
4.1 Introducción .................................................................................................. 98
4.2 Modelo matemático de la característica ............................................................. 99
4.2.1 Modelo definido por el estándar IEEE Std C37.112-1996. .............................................. 100
4.2.2 La característica de reposición ............................................................................... 102
4.2.3 Curvas formadas por saturación. ........................................................................... 103
4.2.4 Definición de las asíntotas de la curva inversa tiempo-corriente ......................... 106
4.3 Modelo propuesto con curva característica flexible no convencional ............ 110
4.3.1 Evaluación de diferentes formas del numerador A(I) y selección de la nueva
función del relevador .............................................................................................................. 116
4.4 Metodología para el diseño de un nuevo algoritmo al relevador de
sobrecorriente ....................................................................................................... 117
4.4.1 Función no convencional del relevador de sobrecorriente de tiempo inverso. .... 118
4.4.2 Estimación de los parámetros de la forma propuesta T(I). .................................. 120
VIII
4.5 Evaluación de la curva característica no convencional .................................. 122
4.5.1 Ajuste de curvas ...................................................................................................... 122
4.5.2 Criterio de evaluación sobre desviación de ajuste de curvas. ............................... 124
4.6 Condición de operación del relevador de sobrecorriente ............................. 129
4.6.1 Evaluación de la operación con palanca constante. ............................................. 130
4.6.2 Evaluación de la operación con palanca variable ................................................. 132
Capítulo 5 Coordinación de reveladores propuestos en
redes industriales
....................................................................................................... 133
5.1 Introducción. ............................................................................................... 133
5.2 Caso I. Protección de transformador categoría III. ........................................ 134
5.2.1 Simulación para generar la coordinación de protección con curvas estándares. 135
5.2.2 Determinación de los parámetros de las nuevas curvas no convencionales. ....... 139
5.2.3 Resultados de la coordinación de protecciones con curvas no convencionales ... 140
5.3 Caso II. Alimentador principal transformador-cable-carga ........................... 143
5.3.1 Simulación para generar la coordinación de protección con curvas estándares . 144
5.3.2 Determinación de los parámetros de las nuevas curvas no convencionales. ....... 145
5.3.3 Resultados de la coordinación de protecciones con curvas no convencionales ... 146
5.4 Caso III. Protección en la acometida de un sistema eléctrico industrial ......... 151
5.4.1 Simulación para generar la coordinación de protección con curvas estándares. 151
5.4.2 Determinación de los parámetros de las nuevas curvas no convencionales. ....... 155
5.4.3 Resultados de la coordinación de protecciones con curva no convencional ........ 157
Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones
................................... 160
6.1 Introducción ................................................................................................ 160
6.2 Conclusiones ................................................................................................ 161
6.3 Aportaciones de los resultados alcanzados .................................................... 162
REFERENCIAS .................................................................................................................................. 164
APÉNDICE A ..................................................................................................................................... 171
APÉNDICE B. .................................................................................................................................... 188

IX
ÍNDICE DE FIGURAS
No. Descripción Pág.
2-1 Relevador electromecánico. 11
2-2 (a) Diferentes tipos de los relés estáticos y (b) placa de circuito del
relevador estático. 12
2-3 Relevador digital comercial. 13
2-4 Tendencia de los relevadores de protección 14
2-5 Modelo de sistema electromecánico excitado simple. 16
2-6 Relevador de corriente tipo-mazo electromagnético. 23
2-7 Relevador sobrecorriente electromagnético con armadura pivoteada. 25
2-8 Conexiones relevador sobrecorriente con transformador de corriente. 26
2-9 Elemento de inducción polo sombreado. 29
2-10 Vista explorada de una unidad relevador disco de inducción con núcleo
magnético tipo-C. 30
2-11 Relevador disco de inducción para características tiempo inverso e
instantánea. 31
2-12 Elemento representativo de la acción de funcionamiento del relevador de
inducción. 32
2-13 Fuerza actuante total a partir de la suma de dos señales resultantes de la
interacción  e i. 33
2-14 Ejemplos de símbolos lógicos. 34
2-15 Ejemplo de tabla lógica 35
2-16 Representación en bloques de las etapas de un relevador de
sobrecorriente estático 35
2-17 Circuito de entrada y rectificación. 36
2-18 Relevador de sobrecorriente de característica I t = K. 37
2-19 Gráfica de operación del relevador de figura 2-18 37
2-20 Circuito para característica de tiempo inverso con detector de nivel y
relevador de disparo. 38
X